飽和潛水系統(tǒng)在海洋工程中的應用

舒仕勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

飽和潛水系統(tǒng)在海洋工程中的應用

舒仕勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

較為詳細地介紹了世界上目前應用的飽和潛水系統(tǒng)的工作原理和組成、優(yōu)點及典型某系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)和特點及關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外目前現(xiàn)狀，簡述了飽和潛水系統(tǒng)在海洋工程中的應用，預測了飽和潛水系統(tǒng)在國內(nèi)的應用前景。

飽和潛水；海洋工程

飽和潛水是1957年由美國生理學家Bond提出，之后英、美、法等西方國家開始進行大量飽和潛水研究，實驗室深度達到701m，飽和潛水在國外海洋石油工程和深海其他工程中，尤其是在歐洲北海油田的開發(fā)中得到充分應用。我國的海洋石油開采中的飽和潛水工作主要還是由海外公司承擔。中海油“十一五”規(guī)劃中提出向深水發(fā)展戰(zhàn)略，將發(fā)展自己的飽和潛水設備和組建自己的作業(yè)隊伍，實現(xiàn)飽和潛水作業(yè)能力，實現(xiàn)向深水發(fā)展的戰(zhàn)略目標。

飽和潛水系統(tǒng)是一項綜合性的復雜工程，技術(shù)密集度高，是公認的高科技、高附加值產(chǎn)品。世界上主要設計制造廠商如DIVEX公司、HydraMarine公司、Aqua-Air工業(yè)有限公司、LEXMAREngineeringPte公司、Submarine公司及N.U.T公司。國內(nèi)飽和潛水設計科研能力基本達到了較高的水平，國內(nèi)主要研制單位如中船重工七一九所、沈陽自動化研究所、上海交通大學水下工程研究所，產(chǎn)品如中科院研制的蛟龍?zhí)?，但都沒有形成制造能力，沒有轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，總體來說，國內(nèi)商業(yè)飽和潛水能力比較落后[1][2]。

1 飽和潛水系統(tǒng)

1.1 飽和潛水系統(tǒng)運作原理及組成

所謂“飽和潛水”是指潛水員在高氣壓下長時間暴露，使其體內(nèi)各組織體液中的惰性氣體達到完全飽和的程度，在此基礎上，只要環(huán)境壓力不再改變，不論暴露時間如何延長，其減壓時間是相等的，因而可大大提高潛水作業(yè)效率。比如在300米深度停留作業(yè)12小時，最后可以用完全相同的減壓時間一次性安全的減壓出水。所以潛水員每次水下作業(yè)不受時間限制，這樣可以完成大量的水下作業(yè)任務，提高潛水作業(yè)效率。

飽和潛水系統(tǒng)一般安裝在潛水作業(yè)母船上，用于實際的海上飽和潛水作業(yè)。潛水員在進行飽和潛水作業(yè)時，必須生活在飽和居住艙內(nèi)，使機體在相當于海底壓力的環(huán)境下達到完全飽和。在此基礎上，當需要進行潛水作業(yè)時，可借助于潛水鐘把潛水員從居住艙、過渡艙內(nèi)運送至海底潛水作業(yè)地點。潛水作業(yè)完成后，仍通過潛水鐘將潛水員接回居住艙內(nèi)休息。潛水工作母船上必須能提供潛水設備所需的各種能源等，以確保潛水設備、生命支持系統(tǒng)和輔助設備的正常運行。下圖1所示為飽和潛水系統(tǒng)總體布置圖，飽和潛水系統(tǒng)主要由甲板加壓艙（DDC）、高壓救生艙（HRC）、潛水鐘（SDC）、潛水鐘處理系統(tǒng)（SDCHandlingsystem）、潛水裝具、高壓救生艙釋放系統(tǒng)、氦氣回收凈化系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、飽和潛水控制箱、機械設備集裝箱、HRC生命支持系統(tǒng)集裝箱、工具集裝箱等部件組成。

1.2 與常規(guī)潛水的主要區(qū)別和優(yōu)點

圖1 總體布置三維效果圖

空氣常規(guī)潛水技術(shù)下潛深度為60米內(nèi)淺，氦氧常規(guī)潛水技術(shù)有效作業(yè)深度一直在120米左右，且作業(yè)時間短，后期用于減壓上升的時間長，潛水作業(yè)效益很低，隨著潛水深度的增加和作業(yè)時間的延長，這些問題更為突出，極大地阻礙了潛水技術(shù)的發(fā)展，飽和潛水主要以增加潛水深度和延長水下作業(yè)時間為目的而產(chǎn)生的，主要大大提高潛水作業(yè)效率，有較高的水下工作時間對減壓時間的比值。

1.2.1 在高壓下長期生活工作停留后，最好僅需一次飽和減壓，減少了減壓的次數(shù)，既消除了多次減壓造成的麻煩，還可減少發(fā)生減壓病的機會，相對比較安全。

1.2.2 可在一定的深度-時程（或深度）范圍內(nèi)作向下巡回潛水，且無需減壓地回到飽和潛水，延伸了飽和潛水作業(yè)的深度。

1.2.3 可突破人直接進入大深度水下環(huán)境的唯一手段。

1.2.4 是較淺深度、固定作業(yè)點和長時間作業(yè)的重要方法。

2 典型某飽和潛水的主要參數(shù)和特點

2.1 主要結(jié)構(gòu)形式

本飽和潛水系統(tǒng)為集成化可移動式，安裝于面積合適的工程船舶甲板面，可和ROV、挖溝機、鋪管設備等同步作業(yè)，主要用于300米以淺飽和潛水作業(yè)，也可用于混合氣、空氣邦司潛水作業(yè)和320米以淺的水下常壓觀察。整套系統(tǒng)組成如下：潛水鐘（SDC）1套；4人雙艙式加壓艙（DDC）1套；4人雙艙式加壓艙（DDC）1套；設備室集裝箱1套；（5）控制室集裝箱1套；吊放裝置1套；10人高壓逃生艙1套；潛水鐘導向壓載1套；甲板供氣系統(tǒng)1套；配置的主要系統(tǒng)：艙加、減壓系統(tǒng)；環(huán)境控制系統(tǒng)；氣體分析系統(tǒng)；供氧系統(tǒng)；艙呼吸系統(tǒng)；衛(wèi)生系統(tǒng)；海水加熱系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；潛水鐘加、減壓系統(tǒng)；潛水鐘呼吸供氣系統(tǒng)；潛水鐘應急供氣系統(tǒng)；電視監(jiān)控、通訊及聲光信號報警系統(tǒng)；供配電系統(tǒng)；配氣、儲氣、系統(tǒng)另行配置[4][5]。

2.2 主要性能指標

甲板居住艙：主艙為4人雙艙式居住艙，輔艙定員4人（帶潛水鐘對接通道）；4人雙艙式居住艙，定員4人；潛水鐘：定員3人；高壓逃生艙定員10人；飽和潛水作業(yè)最大深度300m；常壓觀察潛水最大深度320m；加壓艙最大壓力下持續(xù)時間≮30晝夜；潛水鐘應急狀態(tài)下的自持力≮6小時；系統(tǒng)可根據(jù)任務規(guī)模任意組合，既可單獨使用主艙，亦可與輔艙合并使用，系統(tǒng)最大作業(yè)人數(shù)可達10人?？蓪崿F(xiàn)海況≤道格拉斯3級，有效波高≤2.0米，水溫-2℃～+32℃，海流≤0.5m/s（1節(jié)）左右下作業(yè)；滿足IMCA及IMO（國際海事組織）的相關(guān)要求。

2.3 系統(tǒng)布置

整套系統(tǒng)分為主艙（4人雙艙式居住艙）、輔艙（4人雙艙式居住艙）、設備室集裝箱、控制室集裝箱、吊放裝置和10人高壓逃生艙等結(jié)構(gòu)與甲板供氣系統(tǒng)連接成一個整體，全部安裝于工程船甲板面（不包括儲氣系統(tǒng)）。潛水鐘通過舷側(cè)吊放入海。兩套居住艙垂直船中軸線并行排列；設備室和高壓逃生艙緊靠主艙；吊放裝置布置在主艙頂部；控制室集裝箱布置在輔艙頂部；設備室集裝箱頂部兼作潛水鐘臍帶存放箱。潛水鐘底部可主艙之過渡艙頂部對接。逃生艙和輔艙分別于兩側(cè)與主艙之過渡艙對接。詳細布置圖見圖2、圖3。

2.4 本套飽和系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)

圖3 總體布置側(cè)視圖

2.4.1 形成了全套飽和潛水系統(tǒng)設備操作使用及維護保養(yǎng)技術(shù)：飽和潛水系統(tǒng)是由復雜的電、儀、壓力管路及壓力容器等組成的一個有機整體。系統(tǒng)能否始終保持正常運轉(zhuǎn)，直接關(guān)系到飽和潛水居住艙內(nèi)或潛水鐘內(nèi)潛水員的生命安全。因此，不但對各種設備的性能有很高的要求，而且對其操作及維護保養(yǎng)技術(shù)的要求更高，可以說是牽一發(fā)而動全局。

2.4.2 飽和潛水作業(yè)技術(shù)形成了企業(yè)操作規(guī)范和管理手冊：飽和潛水設備、技術(shù)是海工新的發(fā)展領域。如飽和潛水作業(yè)前的準備、對設備和潛水裝具的要求、飽和程序、巡回潛水程序及最終減壓程序等技術(shù)，編制成了飽和潛水作業(yè)技術(shù)標準。

2.4.3 形成一套飽和潛水作業(yè)應急處理技術(shù)：對諸如出潛潛水員遇險、潛水員或潛水鐘通訊中斷、潛水鐘供氣中斷、潛水鐘供電中斷、潛水鐘熱水供給中斷、潛水鐘失壓、潛水鐘和甲板居住艙不能對接、潛水鐘導索纏繞或斷裂、潛水鐘臍帶斷裂、潛水鐘提升索斷裂、潛水鐘吊放系統(tǒng)故障、甲板居住艙失壓、甲板居住艙火災、甲板居住艙生命支持系統(tǒng)失常、動力定位船失位、加壓過程中出現(xiàn)鼻竇及鼓膜受壓疼痛、飽和居住艙內(nèi)二氧化碳過多、飽和居住艙內(nèi)氧氣過多、巡潛過程中出現(xiàn)溺水或外傷、人員中途進艙、高壓神經(jīng)綜合征或加壓性關(guān)節(jié)痛、減壓過程中出現(xiàn)異常醫(yī)學問題、飽和減壓無法進行及減壓病等應急情況，形成了一整套的完整的應急處理辦法。

2.4.4 逐步探索飽和潛水作業(yè)醫(yī)學保障技術(shù)：該技術(shù)從潛水員的基本條件要求、日常保障和訓練、物質(zhì)準備和要求、潛水時的醫(yī)學保障要求、出艙后的醫(yī)學監(jiān)護及異常情況處理等給予了嚴格的要求和界定，需要長時間的觀察和驗證，目前還處在探索階段。

2.4.5 海洋石油工程專業(yè)水下安裝作業(yè)技術(shù)：在飽和潛水技術(shù)應用研究方面，根據(jù)目前海洋石油水下安裝工程的具體特點，編制了符合工程實際應用的單點系泊系統(tǒng)安裝、水下法蘭對接、深水軟管更換、深水電纜鋪設等一整套飽和潛水水下作業(yè)程序和技術(shù)。

3 飽和潛水技術(shù)在海洋工程中的應用

3.1 應用于安裝立管卡子安裝與護管安裝

目前，飽和潛水普遍應用于平臺上的立管和護管安裝，主要通過飽和潛水、母船和平臺卷揚機協(xié)調(diào)作業(yè)完成，主要流程如下：潛水員從飽和潛水出來后，先清理樁腿上的海生物，后飽和潛水母船通過船舶履帶吊放下立管卡子，潛水員將立管卡子的大管卡和樁腿合攏，調(diào)整卡子方位，將卡子固定住并卡緊，放下立管入水，飽和潛水將立管拖拉到立管卡子內(nèi)，引導平臺卷揚機提拉下面立管和上面立管法蘭對接，對接完成后，穿入螺栓，按照墊圈，緊固法蘭，完成安裝，同樣的情況可安裝護管。

3.2 應用于海管膨脹彎對接安裝

飽和潛水技術(shù)已普遍應用于海管膨脹彎對接安裝，中海油平湖二期八角亭工程項目等多個項目得到了應用。主要流程如下：通過飽和潛水中的潛水員引導母船履帶吊機拖拉膨脹彎與立管法蘭對接，法蘭對接到位后，穿入螺栓，按照墊圈，對法蘭進行緊固，后潛水員協(xié)助進行清管試壓工作。從而實現(xiàn)了對接安裝。

3.3 應用于FPSO海上安裝

主要指安裝FPSO單點系泊系統(tǒng)、FPSO單點系泊系統(tǒng)棄置及海底管線穿越FPSO錨系作業(yè)等。主要流程如下：在連接柔性立管過程中，潛水鐘中的潛水員主要拖拉柔性立管頓頭與基盤管匯法蘭對接，法蘭到位后，穿入螺栓，安裝墊圈，對法蘭進行液壓緊固，從而實現(xiàn)管匯對接。

3.4 應用于海底管線、電纜鋪設

在海底管線和電纜鋪設中，飽和潛水能通過潛水員實現(xiàn)電纜和管線錨固、合攏、輔助焊接，主要工藝流程如下：潛水員引導母船履帶吊機將電纜或管線拖拉到海底基盤導向槽內(nèi)部，合攏槽上的卡子，將電纜或管線錨定并固定，潛水員將平臺電纜或管線護管內(nèi)的牽引繩連接到電纜或管線端頭上，平臺上人員通過牽引繩抽拉將電纜或管線拖拉上平臺，然后飽和潛水潛水員將電纜或管線在護管處錨固定。

3.5 應用于海管除蠟

在海管鋪設過程中，普遍采用打蠟來進行密封，這就經(jīng)常導致海管被蠟塊堵塞而使得輸油不通暢，通常解決方法就是由飽和潛水潛水員從海管上的直管段法蘭處向海管內(nèi)注入除蠟劑。期間主要工作流程如下：潛水員拆除海管上的直管段，在海管端部安裝特制盲法蘭，將母船上放下的軟管連接到特制盲法蘭上，由母船甲板上通過軟管向海管內(nèi)注入除蠟劑，除蠟結(jié)束后，潛水員恢復安裝直管段。

圖4 總體布置平面圖

3.6 應用于海管懸跨段治理

由于海洋地質(zhì)環(huán)境的復雜性，在海底，經(jīng)常出現(xiàn)高低不平的地質(zhì)情況，從而海管穿過這種環(huán)境時就造成了懸跨，可由潛水員先清理海管周圍的海生物，對于沙丘頂部管道著泥段處的泥沙，可持高壓水槍沖刷或用鐵鍬等工具清除，這樣就使得懸跨段慢慢沉降，達到縮短和消除懸跨的目的。如果海管搭在堅硬的巖石坡頂造成懸跨，可由潛水員在巖石周圍懸跨段上填充沙袋或者泥沙，消除懸跨狀況，避免出現(xiàn)巖石和海管直接接觸后變形。

3.7 其他應用

具有巡回潛水功能的飽和潛水系統(tǒng)提供了深水海洋工程支持，可為深水導管架安裝、挖溝作業(yè)、導管架和單點水下檢測評估、深水水下井口和管匯安裝等工程提供協(xié)助支持，另外還可為未來深水廢棄平臺拆除提供服務。

3.8 具體工程項目應用

從世界各大油田的潛水作業(yè)情況來看：歐洲北海、墨西哥灣以及遠東等近海油氣潛水服務公司均裝備有飽和潛水系統(tǒng)，其飽和潛水作業(yè)能力從100米至300米以上不等。國內(nèi)工程中，南海東部、西部及東海海域的導管架安裝、海管鋪設及水下檢測維修工程項目等大多數(shù)工程都借助飽和技術(shù)作業(yè)，主要項目有八角亭海管法蘭對接項目、西江23-1項目、文昌二期海上安裝項目、西江和文昌單點海上安裝項目、樂東22-1/15-1項目、惠州25-3/1項目及番禺30-1項目。

4 結(jié)語

21世紀是開發(fā)海洋的世紀。隨著海洋石油的不斷開發(fā)，國內(nèi)對飽和潛水系統(tǒng)的需求不斷增長，同時對海洋工程技術(shù)裝備也提出了更新更高的要求，迫切須要開發(fā)各種類型能適應海洋作業(yè)要求的飽和潛水系統(tǒng)，以滿足海洋工程發(fā)展的需要。

[1]方以群.我國飽和潛水研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].第三屆亞太地區(qū)潛水與水下技術(shù)論壇，2008，5.

[2]金曉劍.深水工程手冊[M].石油工業(yè)出版社，2010.

[3]張永祥.ROV在海洋工程中的應用[J].中國造船，2012，3.

[4]中國海洋石油總公司.飽和潛水技術(shù)及應用研究（科研報告）[R].2008.

[5]海洋石油工程股份有限公司.購置300米飽和潛水設備系統(tǒng)可行性研究報告[R].2008.

D674.38

A

1671-0037（2014）01-34-2.5

2013年12月10日。

中國海洋石油總公司重點基金項目“飽和潛水技術(shù)及應用研究”（C/KJFHG004-2008）中部分內(nèi)容。

舒仕勇（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：企業(yè)資產(chǎn)管理、投資管理、裝備管理、項目管理等。